无源低通滤波器分析报告
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有源和无源滤波器实验报告1. 引言滤波器是信号处理中常用的工具,用于去除信号中的噪声或选择特定频率范围的信号。
滤波器可以分为有源和无源滤波器两种类型。
有源滤波器使用了一个或多个放大器来增强输入信号的能力,而无源滤波器则不使用放大器来改变信号的幅值。
本实验旨在比较有源和无源滤波器的性能差异,并对其进行测试和评估。
2. 实验目的本实验的目的是通过设计和测试有源和无源滤波器来了解它们的工作原理和性能特点,并对其进行比较。
3. 实验材料•信号发生器•电阻•电容•电感•示波器•多用表•连接线4. 实验步骤4.1 有源低通滤波器设计和测试1.根据所给的电路图,连接有源低通滤波器电路。
2.使用信号发生器产生一个频率为1000Hz的正弦波信号作为输入信号。
3.使用示波器测量输入和输出信号的幅值。
4.记录输入和输出信号的幅值,并计算增益。
5.将信号发生器的频率逐步调整,重复步骤3和4,以获得有源低通滤波器的频率响应曲线。
4.2 无源高通滤波器设计和测试1.根据所给的电路图,连接无源高通滤波器电路。
2.使用信号发生器产生一个频率为1000Hz的正弦波信号作为输入信号。
3.使用示波器测量输入和输出信号的幅值。
4.记录输入和输出信号的幅值,并计算增益。
5.将信号发生器的频率逐步调整,重复步骤3和4,以获得无源高通滤波器的频率响应曲线。
4.3 结果分析与比较1.将有源低通滤波器和无源高通滤波器的频率响应曲线进行比较。
2.分析并比较它们的增益特性、截止频率以及对不同频率信号的响应情况。
5. 实验结果实验结果如下:5.1 有源低通滤波器频率响应曲线在实验中,我们测得有源低通滤波器的频率响应曲线如下图所示:在这里插入有源低通滤波器的频率响应曲线图5.2 无源高通滤波器频率响应曲线在实验中,我们测得无源高通滤波器的频率响应曲线如下图所示:在这里插入无源高通滤波器的频率响应曲线图6. 结论通过对有源低通滤波器和无源高通滤波器的设计和测试,我们得出以下结论:- 有源滤波器能够增强输入信号的能力,具有较高的增益。
无源和有源滤波器实验报告无源和有源滤波器实验报告引言:滤波器是电子电路中常见的一个组件,它可以对信号进行处理,使得输出信号满足特定的频率响应要求。
根据电路中是否引入能量源,滤波器可以分为无源滤波器和有源滤波器两种类型。
本实验旨在通过搭建无源和有源滤波器电路,并对其进行测试和比较,以了解它们的工作原理和特性。
实验一:无源滤波器1.1 实验目的通过搭建无源滤波器电路,观察和分析其频率响应特性。
1.2 实验原理无源滤波器是指不引入能量源的滤波器,它主要由电感和电容组成。
在本实验中,我们将使用RC滤波器作为无源滤波器的代表。
RC滤波器由一个电阻和一个电容串联而成,通过改变电阻和电容的数值可以调节滤波器的截止频率。
1.3 实验步骤1)根据实验要求,选择合适的电阻和电容数值。
2)按照电路图搭建无源滤波器电路。
3)连接信号发生器和示波器,设置信号发生器输出正弦波信号。
4)逐渐调节信号发生器的频率,观察示波器上输出信号的振幅变化。
5)记录不同频率下的输出振幅,并绘制频率-振幅曲线。
1.4 实验结果与分析通过实验我们得到了频率-振幅曲线,可以看出在截止频率以下,输出信号的振幅基本保持不变,而在截止频率以上,输出信号的振幅逐渐减小。
这是因为在截止频率以下,电容对低频信号的阻抗较大,起到了滤波的作用;而在截止频率以上,电容对高频信号的阻抗较小,导致信号通过电容而无法被滤波。
实验二:有源滤波器2.1 实验目的通过搭建有源滤波器电路,观察和分析其频率响应特性。
2.2 实验原理有源滤波器是指引入能量源的滤波器,它可以通过放大器等有源元件来增强滤波效果。
在本实验中,我们将使用激励放大器和RC滤波器组成有源滤波器。
2.3 实验步骤1)根据实验要求,选择合适的电阻、电容和放大器数值。
2)按照电路图搭建有源滤波器电路。
3)连接信号发生器、放大器和示波器,设置信号发生器输出正弦波信号。
4)逐渐调节信号发生器的频率,观察示波器上输出信号的振幅变化。
1、课题背景滤波器是具有一定传输选择特性的、对信号进行加工处理的装置,它允许输入信号中的一些成分通过,抑制或衰减另一些成分。
其功能是将输入信号变换为人们所需要的输出信号。
滤波器按照处理的信号不同可分为模拟滤波器和数字滤波器;按功能不同可分为低通、高通、带通和带阻。
本次课设是完成低通滤波器的设计,目前常用的方法有模拟滤波器设计的巴特沃斯和切比雪夫滤波器以及数字滤波器设计的冲激响应不变法和双线性变换法。
巴特沃斯滤波器的频率特性曲线,无论在通带还是阻带都是频率的单调减函数。
因此,当通带边界处满足指标要求时,通带内肯定会有较大富余量。
因此,更有效的设计方法应该是将逼近精确度均匀地分布在整个通带内,或者均匀分布在整个阻带内,或者同时均匀分布在两者之内。
这样,就可以使滤波器阶数大大降低。
切比雪夫滤波器的幅频特性就具有这种等波纹特性。
它有两种形式:振幅特性在通带内是等波纹的、在阻带内是单调下降的切比雪夫Ⅰ型滤波器;振幅特性在通带内是单调下降、在阻带内是等波纹的切比雪夫Ⅱ型滤波器。
脉冲响应不变法的优点是频率变换关系是线性的,即ω=ΩT,如果不存在频谱混叠现象,用这种方法设计的数字滤波器会很好地重现原模拟滤波器的频响特性。
另外一个优点是数字滤波器的单位脉冲响应完全模仿模拟滤波器的单位冲激响应波形,时域特性逼近好。
但是,有限阶的模拟滤波器不可能是理想带限的,所以,脉冲响应不变法的最大缺点是会产生不同程度的频率混叠失真,其适合用于低通、带通滤波器的设计,不适合用于高通、带阻滤波器的设计。
双线性变换法的优点:避免了频率响应的混叠,数字域频率与模拟频率之间是单值映射。
缺点:除了零频附近外,数字域频率与模拟频率之间存在严重非线性。
2、方案设计2.1、模拟滤波器2.1.1、巴特沃斯滤波器具有单调下降的幅频特性 2.1.1.1、设计步骤1、由技术指标要求确定滤波器阶次对于本次课设,已经要求是三阶,故此步可省略 2、由阶次确定归一化后的表达式对于3阶的归一化表达式为:1221)(23+++=p p p p H (1)3、由截止频率去归一化 令cw ps =代入上式得到去归一化后的结果(c w 是截止角频率,当Hz f c 100=时,s rad w c /628=):)10945.3628)(8.627(1048.2)(528⨯+++⨯=s s s s H 2.1.1.2、仿真验证设计的滤波器的频域特性曲线如下图:101102103104-270-225-180-135-90-450P h a s e (d e g )Bode DiagramFrequency (rad/sec)-80-70-60-50-40-30-20-100M a g n i t u d e (d B )幅频特性曲线在s rad w c /628=(Hz f c 100=)处开始下降,满足设计要求。
低通滤波器实验报告实验报告:低通滤波器引言:低通滤波器是一种常见的信号处理工具,在很多领域都有广泛的应用,例如音频处理、图像处理、通信系统等。
在本实验中,我们将实验搭建一个低通滤波器电路,并通过实验验证其滤波效果和频率特性。
本实验将通过实验现象、理论分析和实验数据对实验进行详细的描述和分析。
实验目的:1.掌握低通滤波器的搭建方法,并了解其原理;2.利用示波器和信号发生器对滤波器的频率特性进行测量,并与理论计算结果进行对比;3.分析滤波器的性能和适用范围。
实验器材:1.信号发生器2.示波器3.可调电阻和电容4.电缆和接线板5.电源实验步骤:1.按照低通滤波器的电路图搭建电路,并连接信号发生器和示波器;2.调节信号发生器的频率为10kHz,幅值为1V;3.通过示波器观察输出信号,并记录实验现象;4.调节信号发生器的频率,依次记录并观察输出信号的变化;5.根据实验数据,绘制频率-幅值曲线,并与理论计算结果进行对比;6.根据实验结果,分析低通滤波器的性能和适用范围。
实验结果与分析:通过实验观察和数据记录,我们得到了低通滤波器的频率-幅值曲线。
根据曲线可以清楚地看到,随着频率的增加,输出信号的幅值逐渐减小。
这是因为低通滤波器的设计初衷是将低频信号通过,而高频信号被滤除。
通过理论计算,我们可以得到滤波器的截止频率。
截止频率是指滤波器输出信号幅值下降到输入信号幅值的70.7%时的频率。
通过与实际测量的截止频率进行对比,可以评估滤波器的性能。
实验与理论结果的一致性表明滤波器具有良好的性能。
此外,还可以通过调节电阻和电容的值来改变低通滤波器的截止频率。
这将使滤波器适应不同频率要求的应用场景。
实验总结:通过本次实验,我们成功搭建了低通滤波器电路,并通过实验观察、数据记录和理论分析,验证了滤波器的性能和频率特性。
实验结果表明低通滤波器可以有效地滤除高频信号,从而使得低频信号得到保留。
在实际应用中,低通滤波器广泛应用于音频处理、图像处理和通信系统等领域。
无源滤波器和有源滤波器实验报告实验报告课程名称:____信号分析与处理实验________指导老师:__ _孙晖_____成绩:__________________实验名称:____无源滤波器和有源滤波器____实验类型:___________同组学生姓名:_张悦_刘启航__一、实验目的和要求(必填) 二、实验内容和原理(必填)三、主要仪器设备(必填) 四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析(必填)七、讨论、心得一、实验目的1. 熟悉模拟滤波器的构成及其特性;2. 学会测量滤波器幅频特性的方法。
二、实验器材1. PC一台;2. NI myDAQ便携式数据采集设备1套;3. 面包板1块,电阻、电容、运算放大器 741 若干,导线。
三、实验原理1. 滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络,它允许某些频率(通常是某个频率范围)的信号通过,而其它频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。
这些网络可以由RLC组件或RC组件构成的无源滤波器,也可由RC组件和有源器件构成的有源滤波器。
2. 滤波电路的一般结构如2―1所示。
图中的Vi t 表示输入信号,V0(t)为输出信号。
假设滤波器是一个线形时不变网络,则在复频域内其传递函数(系统函数)为A(s),式中A(s)是滤波电路的电压传递函数,一般为复数。
对于频率来说(s jω)则有A(jω),?A(jω)?ejφ ω2-1这里?A(jω)?为传递函数的模,φ ω 为其相位角。
此外,在滤波电路中关心的另一个量是时延τ(ω),它定义为τ(ω),- 2-2通常用幅频响应来表征一个滤波电路的特性,欲使信号通过滤波器的失真很小,则相位和时延响应亦需考虑。
当相位响应φ ω 作线性变化,即时延响应τ(ω)为常数时,输出信号才可能避免失真。
3. 对于幅频响应,通常把能够通过的信号频率范围定义为通带,而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带,通带和阻带的界限频率叫做截止频率。
无源低通滤波的输出阻抗
在电子学和通信领域中,滤波器是一种用于将特定频率范围的
信号通过而将其他频率范围的信号屏蔽的电路。
而无源低通滤波器
则是一种常见的滤波器类型,它可以通过阻止高频信号而只允许低
频信号通过来实现信号的滤波。
在设计无源低通滤波器时,输出阻
抗是一个重要的参数,它对滤波器的性能和稳定性有着重要的影响。
输出阻抗是指滤波器在输出端的等效电阻值,它决定了滤波器
输出信号的稳定性和适配性。
在无源低通滤波器中,输出阻抗通常
是由滤波器的电容和电感元件以及它们的连接方式来决定的。
输出
阻抗的大小和频率响应特性直接影响着滤波器的性能。
在设计无源低通滤波器时,需要考虑输出阻抗的影响。
较高的
输出阻抗可以使滤波器对负载的适应性更好,但也会导致信号衰减
和频率响应的变化。
因此,工程师们需要在滤波器设计中权衡输出
阻抗的大小和频率响应特性,以满足特定的应用需求。
此外,输出阻抗还与滤波器的稳定性密切相关。
较低的输出阻
抗可以提高滤波器的稳定性,减少信号的失真和波纹。
因此,在设
计无源低通滤波器时,需要综合考虑输出阻抗、频率响应和稳定性
等因素,以实现滤波器的最佳性能。
总之,无源低通滤波器的输出阻抗是一个重要的设计参数,它直接影响着滤波器的性能和稳定性。
工程师们需要在设计中充分考虑输出阻抗的大小和频率响应特性,以满足特定的应用需求。
只有在综合考虑了这些因素之后,才能设计出性能优良的无源低通滤波器。
无源和有源低通、高通、带通、带阻滤波器实验一、实验目的1、熟悉RC 无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性2、学习滤波器的幅频特性的测试方法3、比较RC 无源滤波器和有源低通滤波器的幅频特性 二、仪器设备1、TKSS -C 型信号与系统实验箱2、双踪示波器 三、原理说明滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络,它允许某些频率(通常是某个频带范围)的信号通过,而其它频率的信号受到衰减或抑制,工程上常用它作信号处理、数据传输和抑制干扰等。
这些网络可以是由RLC 元件或RC 元件构成的无源滤波器,也可以是由RC 元件和有源器件构成的有源滤波器。
根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同,滤波器可分为低通滤波器(LPF )、高通滤波器(HPF )、带通滤波器(BPF )和带阻滤波器(BEF )四种。
无源低通滤波器(R1=R2=1k Ω,C1=C2=0.01uF )图2-1(a) 无源低通滤波器它的增益或转移电压函数为020220311)(311)(ωωωωωωωj RC RC j V V j K S +−=−+==(2-1)式中RC 10=ω称为中心频率。
其幅频特性为20220222220)(9)1(1)3()1(1)()(ωωωωωωωω+−=+−===RC C R V V j K K S(2-2)低通滤波器的幅频特性如图2-1(b)所示,图中实线为理想低通滤器的幅频特性,虚线为实际低通滤波器的幅频特性。
图2-1(b) 低通滤波器的幅频特性有源低通滤波器图2-1(c )所示为一个二阶有源低通滤波器。
它的增益或转移电压函数)(ωj K 可用节点法求得。
(R1=R2=1k Ω,C1=C2=0.01uF )图2-1(c)020222220211211)1(1)(ωωωωωωωωj cRj R C CR j V V j K S+−=+−=+==&& (2-3)于是幅频特性20222022222224114)1(1)(ωωωωωωω+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=+−=R C C R K (2-4)比较式(2-2)与式(2-4),可以看出,它们在形式上完全相同。
实验十一 无源滤波器的研究一、实验目的1.掌握测定R 、C 无源滤波器的幅频特性的方法。
2.了解由R 、C 构成的一些简单的二阶无源滤波电路及其特性。
3.通过理论分析和实验测试加深对无源滤波器的认识。
二、实验原理滤波器是一种选择装置,它对输入信号进行加工和处理,从中选出某些特定的信号作为输出。
电滤波器的任务是对输入信号进行选频加权传输。
电滤波器是Campbell 和wagner 在第一次世界大战期间各自独立发明的,当时直接应用于长途载波电话等通信系统。
电滤波器主要由无源元件R 、L 、C 构成,称为无源滤波器。
滤波器的输出与输入关系通常用电压转移函数H(S)来描述,电压转移函数又称为电压增益函数,它的定义如下)()()(0S U S U S H i =式中U O (S)、U i (S)分别为输出、输入电压的拉氏变换。
在正弦稳态情况下,S=j ω,电压转移函数可写成)(0)()()()(ωφωωωωj i e j H j U j U j H ==∙∙式中H j ()ω表示输出与输入的幅值比,称为幅值函数或增益函数,它与频率的关系称为幅频特性;Φ(ω)表示输出与输入的相位差,称为相位函数,它与频率的关系称为相频特性。
幅频特性与相频特性统称滤波器的频率响应。
滤波器的幅频特性很容易用实验方法测定。
本实验仅研究一些基本的二阶滤波电路。
滤波器按幅频特性的不同,可分为低通、高通、带通和带阻和全通滤波电路等几种,图附录1—1给出了低通、高通、带通和带阻滤波电的典型幅频特性。
低通滤波电路,其幅频响应如图附录1—1(a)所示,图中|H(j ωC)|为增益的幅值,K 为增益常数。
由图可知,它的功能是通过从零到某一截止频率ωC 的低频信号,而对大于ωC 的所有频率则衰减,因此其带宽B=ωC 。
高通滤波电路,其幅频响应如图附录1—1(b)所示。
由图可以看到,在0<ω<ωC 范围内的频率为阻带,高于ωC 的频率为通带。
低通无源滤波器仿真与分析一、滤波器定义所谓滤波器(filter),是一种用来消除干扰杂讯的器件,对输入或输出的信号中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路,就是滤波器,其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。
一般可实为一个可实现的线性时不变系统。
二、滤波器的分类常用的滤波器按以下类型进行分类。
1)按所处理的信号:按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。
2)按所通过信号的频段按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。
低通滤波器:它允许信号中的低频或直流分量通过,抑制高频分量或干扰和噪声。
高通滤波器:它允许信号中的高频分量通过,抑制低频或直流分量。
带通滤波器:它允许一定频段的信号通过,抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。
带阻滤波器:它抑制一定频段内的信号,允许该频段以外的信号通过。
3)按所采用的元器件按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。
无源滤波器:仅由无源元件(R、L 和C)组成的滤波器,它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。
这类滤波器的优点是:电路比较简单,不需要直流电源供电,可靠性高;缺点是:通带内的信号有能量损耗,负载效应比较明显,使用电感元件时容易引起电磁感应,当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大,在低频域不适用。
有源滤波器:由无源元件(一般用R 和C)和有源器件(如集成运算放大器)组成。
这类滤波器的优点是:通带内的信号不仅没有能量损耗,而且还可以放大,负载效应不明显,多级相联时相互影响很小,利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器,并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件);缺点是:通带范围受有源器件(如集成运算放大器)的带宽限制,需要直流电源供电,可靠性不如无源滤波器高,在高压、高频、大功率的场合不适用。
4) 按照阶数来分通过传递函数的阶数来确定滤波器的分类。
三、网络的频率响应在时域中,设输入为)(t x ,输出为)(t y ,滤波器的脉冲响应函数为)(t h 。
低通滤波器的设计
实验目的:
1)学会Candence软件的使用,掌握电路原理图电路设计方法。
2)掌握低通滤波器的设计方法和设计流程。
3)学会用Candence软件对电路进行仿真分析和问题处理。
实验要求:
设计一个-3dB带宽为25KHz的低通滤波器,在45KHz处衰减不少于50dB
实验原理:
1.滤波器的技术指标
滤波器的指标形象地描述了滤波器的频率响应特性。
下面对这些技术指标做一简单介绍。
1.工作频率:滤波器的通带频率范围,有两种定义方式:
2.3dB带宽:由通带最小插入损耗点(通带传输特性的最高点)向下移3 dB 时所测的通带宽度。
这是经典的定义,没有考虑插入损耗,易引起误解,工程中较少使用。
实验内容:
1.电路结构
2.电路参数
3.仿真结果
实验结论:
1.从仿真图可以看出电路的-3dB 带宽为25.65KHz ,满足设计指标的要求
2.从仿真图可以看出电路在45KHz 处衰减为74dB 不少于50dB 也满足设计要求 所以本次实验完成了设计低通滤波器的任务,同时完成了设计指标的要求。
无源低通滤波器分析一、研究目的滤波器是一种选择装置,它对输入信号处理,从中选出某些特定信号作为输出。
如果滤波器主要由无源元件R、L、C构成,称为无源滤波器。
滤波器按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。
针对电气专业的实际特点,文中主要对无源低通滤波器进行分析讨论,并希望总结出无源滤波器在实际工程应用中的相关选用原则。
要求:1、分析讨论无源低通滤波器的各基本形式;2、通过仿真测试滤波器实际效果并分析结果;3、总结滤波器选用原则和体会二、滤波器类型简介无源滤波器通常是以L-C、R-C等无源器件组成的一种只允许通过给定的频带信号而阻止其它频率信号通过的选频网络。
工业电源中一般把400HZ以下的电源称为工频电源,400-10KHZ的电源称为中频电源,10KHZ以上称为高频电源。
用于交流电源输入端滤除电源网络中高频干扰的低通滤波器,整流电路中用于滤除纹波的平滑滤波器,用于抑制放大器产生低频振荡为目的的电源去耦滤波器等,都属于无源滤波器的范畴。
而RC电路多用于低频、功率输出较小的场合,LC电路适用于高频应用场合。
按滤波器结构分类,常用的基本形式有L型、倒L型、T型、π型等电路形式。
图1、L型、倒L型、T型、π型电路形式三、滤波元件特性常用元器件低频特性和高频特性:图2、元器件低频特性和高频特性图电感L的基本特性为通直阻交,电路中具有稳定电流的作用。
高频时电感的阻抗与频率呈现如下关系图3、电感高频特性图电容C的基本特性为通交阻直,电路中具有稳定电压的作用。
按功能可分为1、旁路电容2、去耦电容3、滤波电容。
高频时电容的阻抗与频率呈现如下关系:图4、电容高频特性图滤波电容不是理想的低通滤波器,存在ESL和ESR,是以自谐振点为中心的带通滤波器。
同为0805封装的陶瓷电容,0.01μf的电容比0.1μf的电容有更好的高频滤波特性,实际使用中要注意选择合适的电容。
第四章滤波器仿真环境本文的仿真使用电路仿真软件Multisim,图为部分Multisim仿真电路:图5、电路仿真部分原理图第五章无源低通滤波器分析与仿真滤波器的输出与输入关系常常通过电压转移函数H(S)来描述,电压转移函数又称为电压增益函数,它的定义为T(s)=U o(s)(1-1)U i(s)式中U O(S)、U i(S)分别为输出、输入电压的拉氏变换。
在正弦稳态情况下,S=jω,电压转移函数可写成T(jω)=U o(jω)=|T(jω)|e jφ(ω)(1-2)U i(jω)式中|H(jω)|表示输出与输入的幅值比,称为幅值函数或增益函数,它与频率的关系称为幅频特性;φ(ω)表示输出与输入的相位差,称为相位函数,它与频率的关系称为相频特性。
幅频特性与相频特性统称滤波器的频率响应。
滤波器用来说明电路频率特性指标的特殊频率。
当保持电设计中,我们将截止频率ωc路输入信号的幅度不变,改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍。
RC网络L型RC滤波其电压转移函数为T(s)=1sCR+1sC=1(1-3)令T=RC,该电路电压转移函数仅有一个单阶极点,在s平面的负实轴上。
其幅频特性|T(jω)|=√T2ω2+1,(1-4)相频特性φ(ω)=−tan−1(ω),(1-5)当ω=0时,|T(jω)|→1,即滤波器对直流信号不衰减;当ω→ωc时,|T(jω)|→√22,当ω→∞时,|T(jω)|→0,高频信号最终衰减至0。
当ω=0时,φ(jω)=0,当ω=ωc时,φ(jω)=−45°,当ω→∞时,φ(jω)=−90°相位最终滞后90。
式中截止频率ωc=1,该电路为一阶惯性环节,T越大,放电越慢,脉动越小,即滤波效果越好。
(注:该电压转移函数是当负载阻抗R L≥R时,得到的近似电压转移函数。
)T (s )=sC 1sC=1(1-6)输入端理想条件下无输出阻抗,则该电路相当于单电容滤波,实际上由于输入端都存在输出阻抗,则相当于一阶RC 滤波,只是时间常数T 较小,同时该电路右端的电阻R 与负载阻抗进行分压,消耗能量,故该电路不常用。
T 型RC 电路T (s )=1sCR 1+1sC=11(1-7)由R 、C 元件组成滤波电路,T 型低通滤波器的电压转移函数同样是一阶惯性环节,滤波其效果和L 型相似,主要是改变了滤波器两端的输入和输出阻抗。
它是一个双向的滤波器,也减小了输出对输入的干扰,该电路主要应用在低频环境,意义不大。
图为T 型滤波器的波特图,从图中可以看见其截止频率大致为320Hz ,与理论值相仿,相位最终滞后90o图5.1 T型滤波器的波特图π型RC电路考虑输入端阻抗R dT(s)=1R d RC1C2s2+[R d C1+RC2+R d C2]s+1(1-8)由于输入端一般存在较小的输出阻抗R d ,π型RC 滤波器实际上相当于一个二阶低通滤波器,C 1和输入端的输出阻抗R d 构成一级滤波,一般C 1取值较小,初步滤除交流分量,经一级滤波后还有一定的交流分量;再由R 和C 2组成第二级滤波,再次减小纹波。
它也改变了滤波器两端的输入和输出阻抗。
一个二阶振荡环节,其幅频特性为以-40db 衰减,相频特性为最终滞后180o二阶L 型RC 滤波T (s )=1T 1T 2s 2+[T 2(1+R 1R2)+T 1]s +1(1-9)其中T 1=R 1C 1,T 2=R 2C 2化为二阶低通滤波器的电压转移函数一般表达式T (s )=Ks 2+(ωo Q)s +ωo2(1-10)其中K=1T1T 2,ωo=T 1T 2,Q=(1+R 1R 2)1T 1+1T 2,当R 1=R 2,C 1=C 2时,K=1(RC )2,ωo=1RC ,Q=3RC 为一个二阶振荡环节,其幅频特性为以-40db 衰减,相频特性为最终滞后180o当RC 滤波器阶数较高时,虽然滤波效果更好,但分压效果明显,能量损耗加大,所以RC 滤波器阶数一般不会太高。
下面在Modelsim 环境下搭建电路,仿真结果如下:图5.2、L型10Ω,0.33μf图5.3 倒L型滤波器0.33μf,10Ω图5.4 T型10Ω,0.33μf图5.5 π型电路0.33μf,10Ω,0.33μf图5.6 二阶RC电路0.33μf,10Ω,0.33μf ,10Ω测试中我使用了10KHz的幅值20V的正弦波和1MHz幅值1V的锯齿波干扰进行测试。
设置f C=50KHz,其中π型滤波器将电源输入端等效阻抗设置为0.1Ω,其他电路未设置等效电路。
实际电路中还要考虑负载电阻对滤波电路的影响。
由于RC滤波电路中R的取值一般较小,则负载电阻对滤波电路影响相对较小,仿真中没有设置负载电阻。
从表格中,我们可以发现二阶RC 滤波器滤波效果最好明显优于一阶RC 滤波器,其次是π型滤波器,再次是L 型滤波器,由于是RC 电路,T 型滤波器为一阶滤波器效果与L 型滤波器相似。
结果说明滤波器阶数越高,滤波效果越好,单阶L 型、倒L 型、T 型的噪声衰减较慢,而二阶RC 滤波衰减则较快。
实际中常常串联成多阶RC 滤波器,根据噪声的滤除情况一级一级串联。
但由于电阻直流分压的原因一般不超过三阶 。
LC 网络L 型LC 滤波其电压转移函数为 T (s )=R L //(1sC )sL +[R L //(1sC )]=1LCs 2+L R L s +1(1-11) 转换成标准形式 T (s )=ωo 2s 2+ωo Qs +ωo 2(1-12) 式中R L 为负载阻抗,谐振频率ωo =√LC , Q=12ζ=R L √CL 为低通滤波器的品质因数,Q 电路的选择性越强。
根据自控理论,若Q ≥0.5,ζ≤1,此时滤波器工作于“欠阻尼”状态,若 Q ≤0.5,ζ≥1,则滤波器工作组“过阻尼”状态,若Q=0.5,ζ=0.5则滤波器工作组“临界阻尼”状态,若Q=0.707,ζ=0.707,超调量<5%,调节时间最短,为最佳阻尼比,电路具有最佳平坦响应。
LC 二阶低通滤波网络参数设计时,若期望最佳平坦响应,应使滤波网络的品质因数Q 接近0.707.从品质因数的表达式中,可以看出负载阻抗对于品质因数有很大影响,无源滤波器滤波效果受负载影响极大。
根据滤波器阻抗失配选择原理,L型滤波器适用于高频时输入端阻抗较小、负载阻抗较大的场合。
按照定K型滤波器进行设计L=R/(2π×fc)(1-13)C=1/(2π×fc×R)(1-14)式中信号的截止频率fc,负载阻抗R=√L。
CL、C值计算只能是近似的,噪声滤波器对噪声的抑制效果实际上往往由实验确定。
按照定K型滤波器进行设计,可以看出其品质因数Q=1。
除定K型设计滤波器以外,还有其他设计算法如巴特沃思、切比雪夫等,不同的设计方法L、C的值将不同。
该电路在DC-DC BUCK电路中有应用。
其电压转移函数为T(s)=R L(1-15)R D LCs2+Ls+(R L+R D)考虑输入端阻抗R D和负载阻抗R L,倒L型LC滤波器构成二阶振荡环节,幅频特性为以-40db/dec衰减,相频特性为最终滞后180o,效果与L型LC滤波器类似,但R D一般较小所以滤波效果不及L型LC滤波器。
倒L型滤波器适用于高频时输入端阻抗较大、负载阻抗较小的场合。
T 型LC 滤波其电压转移函数为T (s )=R L L 2Cs 3+R L LCs 2+2sL +R L (1-16)T 型LC 滤波器可通过L 型LC 电路与单L 电路串联构成,是三阶滤波器,信号幅频特性为以-60db/dec 衰减。
按照定K 型滤波器进行设计L =R/(2π×fc )C =1/(π×fc ×R )式中信号的截止频率fc ,负载阻抗R=√L C如果设计两个电感L 相等,当放电时L 、C 和右端的L 向R L 放电,由于两个L 的值相等,所以电流变化比较平稳,C 两端电压变化也比较平稳。
所以电路电压的纹波很小。
所以一般两个L 设计为一样。
T 型滤波器适用于高频时输入端阻抗和负载阻抗均较小的场合π型LC 滤波其电压转移函数为T(s)=R L(1-17)LC2R D R L s3+LC(R D+R L)s2+(2CR D R L+L)s+(R D+R L)π型LC滤波器是一个三阶滤波器,理论上幅频特性为以-60db/dec衰减。
其波特图为图5.7 π型Lc滤波器波特图按照定K型滤波器进行设计L=R/(π×fc)C=1/(2π×fc×R)式中信号的截止频率fc,负载阻抗R=√L。
如果设计两个电容C相等,则当电路充电时两个电容两端电压大致相等,而放电时它们同时向R L放电,由于电压相等,故放电比较平稳,有利于纹波减小。